地上信号設備が軌道をバックアップするのに対し、車載の列車制御装置は、列車の移動を許可する「権限（オーソリティ）」そのものをバックアップします。運転台と機器収納キャビネットには、制動曲線と移動権限を監視する欧州 vital コンピュータ（EVC）、Eurobalise の電文を読み取る Balise 伝送モジュール（BTM）とアンテナ、速度と権限を表示する運転士–機械インタフェース（DMI）、列車の安全履歴を記録する法的記録装置（JRU）、そして ETCS レベル 2 で無線閉そくセンタ（Radio Block Centre）と情報を交換する GSM-R データ無線機があります。本稿では、列車の通常給電が乱れたときにこの連鎖を生かし続けなければならない電源の動作原理と負荷プロファイルを解説します。据え置き型 UPS と異なり、車載バックアップはエレクトロニクスで最も過酷な環境の一つに置かれます。EN 50155 は、機器の公称バッテリ母線電圧（一般に 24、36、48、72、110 V）、-25/-40 ℃ から +55/+70/+85 ℃ までの動作温度クラス、-40 ℃ から +85 ℃ で少なくとも 10 分間起動する要件、さらに EN 61373 に準拠した衝撃・振動を定めます。列車バッテリはコンバータを介して補助 DC 母線に給電し、局所的な保持／バックアップモジュールは、給電中断を橋絡し、JRU の記録と現在の移動権限を守る制御された停止を支え、重要機能では列車を安全な状態に導くのに十分な時間、警戒機能と非常時通信を維持しなければなりません。本稿では、vital コンピュータと無線の定常ベース負荷、Balise 通過時の周期的な BTM バースト、DMI バックライトと音声のピーク、そして EN 50155 と車両電源アーキテクチャが定める給電中断・電圧垂下を乗り切る要件という特徴的な負荷を導きます。また、鉄道車両補助電源向け二次密閉ニッケル水素セルを Part 4 でカバーする専用の鉄道バッテリ規格 IEC 62973 を紹介し、以降の記事で扱う選定と適格性評価の土台を整えます。
EVC は安全の中核です。Balise の位置参照、オドメトリ、GSM-R の移動権限、列車データを融合し、速度を監督して、運転士が許容包絡線を超えた場合に制動を指令します。BTM は床下アンテナを通じて Balise を励磁し読み取ります。DMI は制動曲線、目標速度、表示、警報を描画し、JRU は事後分析のため安全関連データを継続的に記録し、GSM-R 無線機は閉そくセンタへの回線交換またはパケット交換リンクを維持します。それぞれ電流波形は異なりますが、一つの性質を共有します。走行中の無制御な電源喪失そのものが安全事象となることです。
列車の補助バッテリ母線が一次のエネルギー溜めであり、幹線車両では公称 110 V または 72 V、地下鉄・路面電車では 24/48 V が一般的で、DC-DC コンバータが論理電源レールを導出します。局所バックアップ・保持モジュールは母線と vital 電子機器の間に置かれ、中断を平滑化し、必要に応じて母線喪失後に定められた機能を維持します。このバックアップの容量設計は、単一装置の銘板電力ではなく、連鎖全体の正確な負荷プロファイルから始まります。
EN 50155 は鉄道車両搭載電子機器の基準であり、すべての電源判断を左右します。公称給電電圧、ならびに機器が耐えるべき中断・垂下・サージ、6 つの動作温度クラス（OT1〜OT6、機器本体温度 -25 または -40 ℃ から +55、+70、+85 ℃）、保管クラス、-40 ℃ 〜 +85 ℃ で少なくとも 10 分間の起動能力を定めます。熱源付近や無換気キャビネットの機器は上位クラス、床下・外部機器は最寒冷クラスになることがあります。
衝撃・振動は EN 61373（機器にカテゴリとクラスが割り当てられ、カテゴリ 1 クラス B が一般的な既定値）、EMC は EN 50121 シリーズ、火災挙動はますます EN 45545 に参照されます。したがって密閉 NiMH バックアップパックは、冷温放置後に保持エネルギーを供給し、内部接続の疲労なしに持続的な広帯域振動に耐え、低火災負荷材料を使い、密閉キャビネット内でガスを出さず電解液を漏らさない必要があります。これらは民生セルや液式電池の安易な使用を排除する要件です。
車載バックアップは単一の時間ではなく、任務の階層です。最短スケールでは、保持コンデンサと小型バッテリモジュールが給電中断と切換ギャップ（ミリ秒〜秒）を橋絡し、セクション（無電化区間）、パンタグラフの跳ね上がり、コンバータ切換時に EVC がリセットしないようにします。中間スケールでは、バックアップは秩序立った停止を支えます。JRU 書込みの完了、状態と移動権限コンテキストの保存、DMI の待避を行い、長く容量を消費する再初期化を強いることなくシステムが決定論的に再起動できるようにします。
最長スケールでは、選定された安全・通信機能（警戒、非常灯、指令回路、定められた通話のための GSM-R 無線機）を維持し、避難前に運転士が通信して列車を安全な状態にできるようにします。最初のアニメーション図は、低下する母線電圧に対するこの段階的なタイムライン、すなわち乗り切り、秩序立った停止、規定される場合は延長された非常時支援を示します。各段は異なるエネルギーと電力要件に対応し、これらを混同すること（乗り切りの過大設計や停止の過小設計）はよくある設計ミスです。
1 走行で測定すると、車載連鎖はほぼ一定の vital コア（EVC、JRU、無線スタンバイ、BTM 受信機）に、各 Balise を励磁する BTM 送信バースト、ハンドオーバや呼設定時の GSM-R 送信バースト、DMI バックライトと音声案内、非常制動指令時のリレーや弁の作動といったピークが重畳した電流を引きます。バックアップは、内部抵抗が最大で電圧垂下が最も深くなる低温時に、最も高い妥当な同時ピークでも論理レールを保持しなければなりません。
2 番目のアニメーション図は、通常走行と低温で母線が低下した事象を対比します。密閉 NiMH の平坦な電圧プラトーと良好なパルス特性はこの混合プロファイルに適し、その化学的性質は、車載バックアップが実際に経験する浅く頻度の低い放電と長いフロート／待機に耐えます。パックは寿命のほぼすべてを充電待機で過ごし、エネルギーを供給するのはまれであるため、深放電サイクルのエネルギー密度よりも充電保持とフロート安定性が重要です。
鉄道車両の補助バッテリは、その極端な堅牢性から歴史的に液式ニッケル・カドミウムが中心で、一部車両に鉛蓄電池、そしてリチウムイオンが登場しています。IEC 62973 シリーズは現在、化学別に適格性評価を構造化しています。Part 1 は補助バッテリの一般要求と試験、Part 2 は NiCd、Part 3 は鉛蓄電池、Part 4 は二次密閉ニッケル水素、Part 5 はリチウムイオンをカバーします。密閉 NiMH 専用のパートが存在することで、設計者は車両上で密閉・低保守の化学種を選ぶ鉄道公認の道を得られます。
密閉 NiMH は、大容量の牽引補助バンク全体を置き換えるよりも、EVC ラック、BTM キャビネット、DMI／無線機といった分散・局所バックアップモジュールに特に適します。補水と遊離電解液を不要にし、カドミウムを含まず、浅いフロート負荷と寒冷環境によく耐え、保護する電子機器の近くに実装できます。次の記事ではこれらのモジュールを容量設計し、EN 50155 の下で各化学種を比較します。
統合された要件は、3 つの任務段階にわたって容量設計された密閉・耐振動 NiMH モジュールであり、公称母線とその中断を尊重する充電器と絶縁を介して接続され、状態と健全性を監視され、搭載場所の温度クラス、EN 61373 の機械レベル、EN 50121 の EMC、EN 45545 の火災挙動に適格であることです。そのセルと構造は IEC 62973-4 と基礎となるセル性能・安全規格にトレーサブルでなければなりません。
以降の記事ではハードウェアと証拠を提供します。第 2 記事はパックを容量設計し充電器を選定し、鉄道車両の制約下で NiMH を NiCd、鉛蓄電池、リチウムと比較します。第 3 記事は、冷間起動、振動、EMC、火災、ならびに OEM や信号サプライヤが承認のために提示すべき鉄道バッテリ書類を含む EN 50155 型式試験と安全統合キャンペーンを対応づけます。
Weijiang Power は、遠隔・オフグリッド・安全関連機器向けに密閉ニッケル水素セルと整合した産業用パックを設計・製造し、IEC 61951-2 の性能ファイル、IEC 62133-2 の安全証拠、パルス負荷特性評価、広温度域試験、充電器／パックの共通検証で OEM パートナーを支援します。負荷サイクル、ピーク電流、温度範囲、自律時間の目標、製品が満たすべき規格をお知らせください。当社エンジニアが、ランタイム・信頼性・寿命を守るセルとパックの組み合わせを仕様化します。製品ページでラインアップをご覧ください。
